Pesquisadores desenvolvem nanotecnologia para criar monocamadas de nanopartículas em escala de wafer em segundos
Crédito:Materiais Avançados (2024). DOI:10.1002/adma.202313299 Os materiais em nanoescala apresentam-nos propriedades químicas e físicas surpreendentes que ajudam a materializar aplicações como a detecção molecular única e a terapia fototérmica minimamente invasiva – que antes eram apenas teorias – em realidade.
As capacidades únicas das nanopartículas tornam-nas materiais lucrativos para uma ampla gama de aplicações, tanto para fins de investigação como industriais. No entanto, conseguir este último torna-se difícil devido à falta de uma técnica para transferência rápida e uniforme de uma monocamada de nanopartículas, o que é crucial para a fabricação de dispositivos.
Uma possível saída para esse dilema é adotar processos de montagem eletrostática em que as nanopartículas se ligam a uma superfície com carga oposta e, uma vez formada uma monocamada, as nanopartículas autolimitam a montagem adicional, repelindo outras nanopartículas com carga semelhante para longe da superfície. Infelizmente, esse processo pode ser muito demorado.
Embora os métodos artificiais lutem com estas desvantagens, os processos de adesão subaquática encontrados na natureza evoluíram para estratégias únicas para superar este problema.
A este respeito, uma equipa de investigadores do Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju, liderada pelo Ph.D. o estudante Doeun Kim (primeiro autor) e o professor assistente Hyeon-Ho Jeong (autor correspondente), desenvolveram uma técnica de montagem de nanopartículas única "inspirada em mexilhões" que transporta materiais da água em volumes microscópicos para wafers de 2 polegadas em 10 segundos, ao mesmo tempo que permite a montagem monocamada 2D com excelente cobertura de superfície de cerca de 40%.
O trabalho deles foi publicado em Advanced Materials e destacado como frontispício. A montagem eletrostática de nanopartículas em um substrato de Au de 2 polegadas coberto com HfO2 por 10 segundos. Crédito:Materiais Avançados (2024). DOI:10.1002/adma.202313299 "Nossa principal abordagem para superar o desafio existente veio de uma observação sobre como os mexilhões atingem a superfície do alvo contra a água. Vimos que os mexilhões irradiam simultaneamente aminoácidos para dissociar as moléculas de água na superfície, permitindo a rápida fixação do adesivo químico na superfície do alvo ”, explica a Sra. Kim, falando sobre a motivação por trás da abordagem única inspirada na natureza.
“Percebemos uma situação análoga em que introduzimos prótons em excesso para remover grupos hidroxila da superfície alvo, aumentando assim a força de atração eletrostática entre as nanopartículas e a superfície e acelerando o processo de montagem”.
Os pesquisadores projetaram o potencial eletrostático da superfície tanto para a superfície alvo quanto para as nanopartículas, impulsionado pela dinâmica de prótons. Isso fez com que as nanopartículas ficassem presas uniformemente na superfície do alvo em segundos.
Para testar a eficácia da introdução da engenharia de prótons no processo de montagem eletrostática, a equipe comparou o tempo de montagem da monocamada com as técnicas usadas convencionalmente. Os resultados indicaram que a velocidade de revestimento da nova técnica foi de 100 a 1.000 vezes mais rápida do que os métodos relatados anteriormente. A razão por trás dessa difusão e montagem aceleradas de nanopartículas estava ligada à capacidade dos prótons de remover grupos hidroxila indesejados na área alvo.
Os pesquisadores descobriram ainda que a natureza sensível à carga do processo subjacente permite a "cura" determinística de filmes de monocamada e nanopadronização "pick-and-place" na escala do wafer. Além disso, a técnica proposta também permite a fabricação de metassuperfícies reflexivas coloridas em nível de wafer por meio de arquitetura plasmônica, abrindo assim novos caminhos para a produção de pinturas coloridas e dispositivos de criptografia óptica.
Esta nova prova de conceito inspirada na natureza é um passo importante em direção a uma ampla aceitação de materiais monocamadas de nanomateriais funcionais.
"Prevemos que esta investigação irá acelerar o impacto dos nanomateriais funcionais nas nossas vidas e promover a produção em massa de filmes monocamadas, facilitando assim uma vasta gama de aplicações, que vão desde dispositivos fotónicos e eletrónicos até novos materiais funcionais para aplicações energéticas e ambientais. ”, conclui o Prof.
